1 引 言
坡面土壤侵蚀是导致生态环境恶化、限制人类生存与发展的全球性环境问题之一［1］。片蚀作为坡面土壤侵蚀演变的初始形态，具有独特的侵蚀特征，是坡面水蚀最为复杂的过程之一［2］。片蚀分布面积广，片蚀过程中的大面积片流汇集后成为坡面不同等级沟蚀的主要侵蚀动力［3］。因此，坡面片蚀问题早已成为各界广泛关注的焦点，不同学者对片蚀给出了定义，朱显谟［4］在研究中指出片蚀即片状侵蚀或者层状侵蚀，是地表或者沟壁土壤表面发生薄层剥蚀悬移的现象。吴普特［5］将细沟间侵蚀、片蚀以及薄层水流侵蚀三者表述为统一概念。Foster等［6，7］将坡面土壤侵蚀划分为细沟侵蚀和细沟间侵蚀即片蚀，细沟间侵蚀是指坡面上细沟未形成之前或细沟形成之后细沟间的土壤侵蚀过程［8］。同时，国内外学者从片蚀动力学机制、片蚀影响因素、片蚀过程及片蚀模型等方面展开了不同程度的研究，本文通过阐述国内外在片蚀方面的研究进展，总结分析了片蚀过程、机理以及相关规律，提出了未来开展片蚀研究的方向以及重点领域，研究结果对揭示坡面土壤侵蚀特点、维系土地资源可持续利用、优化水土保持措施配置模式以及加强生态文明建设等，具有一定的科学意义和理论支撑。
2 水动力学参数及水力学参数
水流的作用力是坡面片蚀的主要动力源。水流剪切力、水流功率和单位水流功率是由流量、水深、坡度以及流速等单个水动力学参数集成的综合性水动力学参数，虽然上述3个水动力学参数在物理意义、计算方法和单位等方面均存在较大差别，但是现有大多数针对片流输沙能力和片蚀的模拟与预测研究都基于这3个水动力学参数。由于试验方法和试验条件等不同，适用于描述片流过程中输沙能力和片蚀的水动力参数尚无定论。水流流速及水深是与片蚀关系密切的水力学参数。水动力学参数和水力学参数可以从不同方面反映坡面径流特征，不同学者也对此展开了深入研究。
2.1 水流功率
水流功率被定义为一定高度的水流沿坡面流动的势能损失，20世纪60年代开始，水流功率被广泛用于模拟输沙能力和片蚀［9~11］。基于水流功率的土壤输沙能力和片蚀预测模型如表1［11~22］所列。作为水蚀预测模型之一的GUEST模型使用水流功率来模拟土壤输沙能力［12］。Zhang［13］通过模拟降雨实验对降雨主导下输沙能力预测模型进行了研究，得出水流功率是模拟输沙能力和片蚀的最佳参数。Zhang等［14］、Gao等［15］、Wang等［16］和Li等［17］分析讨论了不同水动力参数与土壤输沙能力的响应关系，认为水流功率最适宜用来描述土壤输沙能力。一些学者进一步分析了水流功率与输沙能力和片蚀之间的回归关系：Cao等［18］根据试验结果，认为输沙能力和水流功率之间的关系为线性函数关系，栾莉莉等［19］则认为输沙能力和水流功率之间的关系为幂函数关系；赵海滨等［20］和Wu等［21，22］发现片蚀率和水流功率之间的关系亦为线性关系。
| 模型 | 试验用土 | 试验方法 | 颗粒组成 | R2 | NSE | n | 参考文献 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| d50=0.28 mm | 坡度：8.8%、17.6%、22.2%、26.8%、31.5%、 36.4%、41.4%、46.6% 单宽流量：0.625×10-3、1.250×10-3、1.875×10-3、2.500×10-3、3.125×10-3、3.750×10-3、 4.375×10-3、5.00×10-3 m2/s | - | 0.98 | 0.98 | 64 | ［11］ | |
冲击砂 d50=0.326 mm | 坡度：8.7%、17.6%、22.2%、26.8%、 31.5%、36.4%、41.4%、46.6% 径流速率：0.25、0.5、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0 L/s | - | 0.97 | - | 64 | ［12］ | |
| - | 降雨强度：24、60、90、120、138、150 mm/h 坡度：12.3%、17.6%、26.8%、36.4%、40.4%、46.63% | 34.0%砂粒 56.1%粉粒 9.9%黏粒 | 0.90 | 0.75 | 155 | ［13］ | |
d50=0.10 mm d50=0.22 mm d50=0.41 mm d50=0.69 mm d50=1.16 mm | 单宽流量：0.66×10-3、1.32×10-3、2.63×10-3、 3.95×10-3、5.26×10-3 m2/s 坡度：8.7%、17.4%、25.9%、34.2%、42.3% | - | 0.94 0.96 0.96 0.97 0.96 | - | 22 24 25 25 25 | ［14］ | |
绵黄土 （d50=0.04 mm） 沙黄土 （d50=0.095 mm） | 坡度：12.23%、17.63%、26.8%、 36.4%、40.4%、46.63% 降雨强度：40、60、90、120、138、150 mm/h | 沙黄土： 0.30%粗砂粒 64.9%细砂粒 22.0%粗粉粒 2.8%中粉粒 3.2%细粉粒 5.8%黏粒 | 0.950 | 0.978 | 46 | ［15］ | |
绵黄土： 36.58%细砂粒 48%粗粉粒 3.84%中粉粒 4.73%细粉粒 6.85%黏粒 | |||||||
| - | 坡度：12.3%、17.6%、26.8%、36.4%、46.6% 降雨强度：42、60、90、120、150 mm/h 植被覆盖率：30%、40%、50%、60%、70% | 70.09%砂粒 21.42%粉粒 8.49%黏粒 | 0.93 | 0.89 | 50 | ［16］ | |
细砂和粉砂 d50=0.17 mm d50=0.53 mm | 坡度：3.49%~20.9% 单宽流量：0.0667×10-3~0.3333×10-3 m2/s | - | 0.82 0.95 | - | - | ［17］ | |
| 黄土 | 降雨强度：43.8、68.4、83.4、128.4、142.2 mm/h 坡度：10.5%、17.6%、26.8% | 10.25%砂粒 72.10%粉粒 17.65%黏粒 | 0.907 | - | 19 | ［18］ | |
泥沙 d50=0.28 mm | 坡度：8.7%、17.4%、25.9%、34.2%、38.3%、42.3% 单宽流量：0.66×10-3、1.32×10-3、1.97×10-3、2.63×10-3、3.29×10-3、3.95×10-3、4.61×10-3、5.26×10-3 m2/s | - | 0.975 | 0.968 | 64 | ［19］ | |
| - | 坡度：17.6%、36.4%、57.7% 流量：1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、7.5、10 L/min | - | 0.929 0.805 0.925 | - | 7 7 7 | ［20］ | |
沙黄土 d50=0.0039 mm | 坡度：12.23%、17.63%、26.8%、 36.4%、40.4%、46.63% 降雨强度：40、60、90、120、138、150 mm/h | 70.09%砂粒 21.42%粉粒 8.49%黏粒 | 0.97 | 0.97 | 18 | ［21］ | |
| 黄土 | 坡度：12.23%、17.63%、26.8%、 36.4%、40.4%、46.63% 降雨强度：40、60、90、120、138、150 mm/h | 36.21%砂粒 55.3%粉粒 8.49%黏粒 | 0.87 | 0.87 | 35 | ［22］ |
2.2 单位水流功率
20世纪70~80年代，外国学者从冲击砂砾河床径流的总沉积物浓度分析中得出单位水流功率是确定沉积物浓度的重要参数之一［23，24］。为验证上述单位水流功率理论，Moore等［25］通过直接采用单位水流功率进行片蚀和细沟侵蚀的计算，结果表明：当土体颗粒呈分散状态时，单位水流功率可精确模拟片流和细沟流的输沙率。如表2［11，15~17，21，26~30］所列，一些学者也通过试验数据资料验证了单位水流功率与输沙能力以及片蚀之间具有较好的关系［11，16，26~29］。为研究几种已有输沙模型的适用性以及建立基于单位水流功率模拟输沙能力的函数，Ali等［30］使用4种不同的砂土在不同坡度和单位径流量下进行试验，得出已有的几种输沙模型在特定的试验状态下并不能精确地描述输沙能力，根据试验数据结果以及量纲分析建立了基于单位水流功率的输沙能力方程。然而，由于试验条件不同等因素，部分学者根据试验研究结果以及理论分析认为单位水流功率并不适用于描述输沙能力和片蚀［15，17，21］。
表2 单位水流功率模型汇总[11, 15~17, 21, 26~30]
Table 2
| 模型 | 试验用土 | 试验方法 | 颗粒组成 | R2 | NSE | n | 参考文献 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| d50=0.28 mm | 坡度：8.7%、17.6%、22.2%、26.8%、31.5%、36.4%、41.4%、46.6% 单宽流量：0.625×10-3、1.250×10-3、1.875×10-3、2.500×10-3、3.125×10-3、3.750×10-3、4.375×10-3、5.00×10-3 m2/s | - | 0.92 | 0.92 | 64 | ［11］ | |
| SE=0.0148（ω-0.0003） | - | 坡度：12.3%、17.6%、26.8%、36.4%、46.6% 降雨强度：42、60、90、120、150 mm/h 植被覆盖率：30%、40%、50%、60%、70% | 70.09%砂粒 21.42%粉粒 8.49%黏粒 | 0.93 | 0.89 | 50 | ［16］ |
4种砂粒 d50=0.233、0.536、0.719、1.022 mm | 坡度：5.2%、8.7%、13.2%、17.6% 单宽流量：0.07×10-3~2.27×10-3 m2/s | - | 0.87 | - | - | ［26］ | |
4种砂粒 d50=0.230、0.536、0.719、1.022 mm | 坡度：1.7%、3.5%、8.7%、14.1%、21.0% 单宽流量：0.20×10-3~10.0×10-3 m2/s | - | - | - | 436 | ［27］ | |
| 沙壤土 | 降雨强度：38.2~56.3 mm/h 坡度：2.5%、11.5%、20.5%、30%、40% | 50.0%砂粒 22.0%粉粒 28.0%黏粒 | 0.76 | - | - | ［28］ | |
d50=0.10 mm d50=0.22 mm d50=0.41 mm d50=0.69 mm d50=1.16 mm | 单宽流量：0.66×10-3、1.32×10-3、2.63×10-3、3.95×10-3、5.26×10-3 m2/s 坡度：8.7%、17.4%、25.9%、34.2%、42.3% | - | 0.76 0.85 0.89 0.87 0.84 | - | 22 24 25 25 25 | ［29］ | |
5种砂粒 d50=0.058、0.127、0.218、0.414、1.098 mm | 单宽流量：0.07×10-3~2.27×10-3 m2/s 坡度：5.2%、8.7%、13.2%、17.6% | - | - | - | 81 | ［30］ | |
沙黄土 （d50=0.095 mm） 绵黄土 （d50=0.04 mm） | 坡度：12.23%、17.63%、26.8%、36.4%、40.4%、46.63% 降雨强度：40、60、90、120、138、 150 mm/h | 沙黄土： 0.30%粗砂粒 64.9%细砂粒 22.0%粗粉粒 2.8%中粉粒 3.2%细粉粒 5.8%黏粒 绵黄土： 36.58%细砂粒 48%粗粉粒 3.84%中粉粒 4.73%细粉粒 6.85%黏粒 | 0.6599 | 0.7561 | 436 | ［15］ | |
细砂和粉砂 d50=0.17 mm d50=0.53 mm | 坡度：3.49%~20.9% 单宽流量0.0667×10-3~0.3333×10-3 m2/s | - | 0.61 0.90 | - | - | ［17］ | |
| 黄土 | 坡度：12.23%、17.63%、26.8%、 36.4%、40.4%、46.63% 降雨强度：40、60、90、120、138、 150 mm/h | 36.21%砂粒 55.3%粉粒 8.49%黏粒 | 0.43 | 0.43 | 35 | ［21］ |
2.3 水流剪切力
水流剪切力是径流分离土壤的主要动力之一，经常被用来模拟输沙能力及片蚀率（表3［11，14，16，17，20~22，29，31，32］）。一些学者通过试验结果分析得出水流剪切力可适用于描述输沙能力和片蚀［11，16，20~22，29］。Tayfur［31］通过比较不同坡度与降雨强度状态下的输沙模型，发现水流剪切力更适用于描述坡度为20%的裸坡坡面输沙能力以及坡度为10%~20%时高降雨强度下的输沙能力。Li等［17］通过分析不同种类黄土的片流输沙能力和水力学参数之间的关系，得出水流剪切力可较好地预测片流输沙能力，并在最优水动力参数的基础上建立无量纲化输沙能力方程。然而，Zhang等［14］根据模拟降雨试验得出的结果，认为水流剪切力并不能准确描述输沙能力。已有研究所用土壤多为扰动土，但原状土与扰动土内部结构差异较大，侵蚀机理亦存在不同，Zhang等［32］通过使用原状土研究片流对土壤分离的作用，表明片蚀率与水流剪切力之间存在的关系相关性较高。
表3 水流剪切力模型汇总表[11, 14, 16, 17, 20~22, 29, 31, 32]
Table 3
| 模型 | 试验用土 | 试验方法 | 颗粒组成 | R2 | NSE | n | 参考 文献 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| d50=0.28 mm | 坡度：8.7%、17.6%、22.2%、26.8%、31.5%、 36.4%、41.4%、46.6% 单宽流量：0.625×10-3、1.250×10-3、1.875×10-3、2.500×10-3、3.125×10-3、3.750×10-3、4.375×10-3、5.00×10-3 m2/s | - | 0.98 | 0.97 | 64 | ［11］ | |
| - | 坡度：12.3%、17.6%、26.8%、36.4%、46.6% 降雨强度：42、60、90、120、150 mm/h 植被覆盖率：30%、40%、50%、60%、70% | 70.09%砂粒 21.42%粉粒 8.49%黏粒 | 0.79 | 0.55 | 50 | ［16］ | |
| - | 坡度：17.6%、36.4%、57.7% 流量：1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、7.5、10 L/min | - | 0.925 0.805 0.929 | - | 7 7 7 | ［20］ | |
| 沙黄土d50=0.0039 mm | 坡度：12.23%、17.63%、26.8%、36.4%、40.4%、46.63% 降雨强度：40、60、90、120、138、150 mm/h | 70.09%砂粒 21.42%粉粒 8.49%黏粒 | 0.88 | 0.88 | 18 | ［21］ | |
| 黄土 | 坡度：12.23%、17.63%、26.8%、36.4%、40.4%、46.63% 降雨强度：40、60、90、120、138、150 mm/h | 36.21%砂粒 55.3%粉粒 8.49%黏粒 | 0.83 | 0.83 | 35 | ［22］ | |
d50=0.10 mm d50=0.22 mm d50=0.41 mm d50=0.69 mm d50=1.16 mm | 单宽流量：0.66×10-3、1.32×10-3、2.63×10-3、 3.95×10-3、5.26×10-3 m2/s 坡度：8.7%、17.4%、25.9%、34.2%、42.3% | - | 0.95 0.97 0.97 0.97 0.97 | - | 22 24 25 25 25 | ［29］ | |
| 沙土d50=0.35 mm | 坡度：5.7%、10%、15%、20%、30%、40% 降雨强度：32、57、93、117 mm/h | 90.0%砂粒 10.0%粉粒 | - | - | - | ［31］ | |
细砂和粉砂 d50=0.17 mm d50=0.53 mm | 坡度：3.49%~20.9% 单宽流量：0.0667×10-3~0.3333×10-3 m2/s | - | 0.67 0.75 | - | - | ［17］ | |
| - | 坡度：12.3%、17.6%、26.8%、36.4%、40.4%、46.63% 降雨强度：24、60、90、120、138、150 mm/h | 34.0%砂粒 56.1%粉粒 9.9%黏粒 | 0.53 | 0.32 | 155 | ［14］ | |
| - | 单宽流量：0.25×10-3、0.50×10-3、1.0×10-3、 1.5×10-3、2.0×10-3 m2/s 坡度：8.7%、17.6%、26.8%、36.4%、46.6% | 7.9%砂粒 66.7%粉粒 25.4%黏粒 | 0.89 | - | - | ［32］ |
2.4 流速与水深
流速是描述坡面片蚀过程水力特性的基本参数之一，对片蚀具有重要的影响。20世纪50年代国外学者普罗托季亚科诺夫［33］最早在浅草覆盖坡面上进行不同单宽流量和坡度的组合试验，分析得出水流流速、坡度和单宽流量之间存在幂函数关系。Guy等［34］对坡面水流流速进行了更加深入的研究，其研究结果表明坡面流速随着单宽流量增大而增大，同时他们发现黏滞系数对于水流流速存在影响。国内学者江忠善等［35］根据不稳定流计算理论对坡面流速试验资料进行了整理分析，得出流速拟合关系式。随后姚文艺［36］、雷阿林等［37］和李小昱等［38］针对坡面水流流速进行研究，分析得出不同形式的流速公式。外国学者Ali等［39］在研究中发现平均水流流速与平均粒径和径流量之间分别存在着良好的幂函数关系与指数函数关系。为进一步明确探究片流流速在侵蚀过程中对泥沙的影响作用，Sirjani等［40］采用不同土壤、不同片流流速和不同坡度的组合进行试验，结果表明：单宽流量和泥沙浓度随着片流流速增加而增加；对于不同土壤和不同的坡度，泥沙浓度和片流流速均存在明显的关系。Wang等［41］认为在片蚀区域中，流速和水深比在沟蚀区域中小，低流速可能会导致少量粗颗粒搬运。
坡面水流一般深度较浅，通常受降雨因素、坡面特性因素以及流量的影响，难以测定以及分析研究。除上述影响因素外，前人针对流速公式研究所得的计算公式多是基于特定试验条件，且流速公式只能求得平均水流流速，对于流速的时空变化分布研究尚不精准，这将影响对片蚀水动力特性的深入了解。
水深亦是坡面片蚀过程中的水力特性之一，对于片蚀有重要的影响作用。细沟间水流的水深难以测得，有学者认为其深度小于2 mm［42］，受表面植被覆盖、降雨和下垫面等诸多因素的影响，目前研究尚不深入。部分国内学者对于平均水深与单宽流量之间的关系进行过研究：张光辉［43］通过试验得出流量和平均水深以及坡度之间存在幂函数关系；杨锦等［44］研究表明在黏砂床面平均水深与单宽流量之间呈幂函数关系形式；吴淑芳等［45］的试验数据分析结果指出在坡度一定时，无论有无植被覆盖，平均水深均随着单宽流量的增加而呈幂函数增大。Kinnell［46，47］认为水深对土壤颗粒的分离和搬运有显著的影响。郭忠录等［48］通过对试验数据分析得出平均水深随着坡度增加而增大，且平均水深与有效供水量呈幂函数关系。白玉洁等［49］针对急陡黄土坡面的水动力特性进行研究，得出结论：在坡度一定时，随着降雨强度增加，平均水深呈平稳增长趋势；在降雨强度一定时，水深则随着坡度增加呈降低的趋势。Wang等［50］通过研究径流中泥沙浓度对于水动力参数的影响，发现含沙量的增加以及平均流速的降低可导致水深减小。
3 片蚀外部影响因素
3.1 降雨强度
一些学者根据降雨强度与径流量之间的关系，分析二者对于片蚀的影响：Wen等［58］认为由于降雨对坡面土壤的压实作用和径流的影响增加，降雨强度对坡面片蚀量的影响明显大于单独径流作用对片蚀量的影响；Shen等［59］则根据不同降雨强度和径流量的组合试验结果分析得出降雨和径流共同作用时对土壤侵蚀的影响效果最大，单独降雨作用次之、单独径流作用最小；Guo等［60］认为降雨强度和径流对于土壤侵蚀起着同等重要的作用。上述研究成果表明在侵蚀过程中降雨强度对于土壤侵蚀起着显著作用，另一些学者在降雨强度对于泥沙浓度影响方面也进行了研究：Defersha等［61］认为虽然降雨强度增加导致泥沙浓度增加，但对于泥沙浓度的主要影响作用实际上取决于土壤初始含水量和土壤类型；Wu等［62］通过野外现场试验证明泥沙浓度与侵蚀之间的关系取决于降雨强度的不同，当降雨强度较小时，泥沙浓度随着侵蚀程度的加剧而增加，而高降雨强度下泥沙浓度与侵蚀程度之间的变化关系则呈非线性规律。
3.2 坡度
坡度作为地形因素是片蚀的重要影响因素之一，在不同类型的试验土壤下，坡度对于片蚀的影响存在一定的差别［63］。影响坡度和侵蚀之间关系的因素可总结为土壤透水性和表面流动特性的变化，包括径流路径的发展、物源区域的连通性、土壤饱和度和内聚力大小、水流深度［64］。刘志等［65］、Fu等［66］和Zhang等［14］根据试验数据资料，指出黄土坡面的片蚀量随着坡度呈先增加后减小的变化状态，片蚀过程中存在临界坡度。有学者［53，67］指出片蚀量随着坡度增加而增加，且不出现临界坡度。Fox等［68］分析了坡度和片蚀量之间的关系，认为片蚀量与坡度存在线性关系。Auerswald等［69］通过研究不同降雨作用方向对于侵蚀的影响，得出结论：坡度的增加可导致向上移动和向下移动降雨作用下的坡面片蚀量增加，以及二者之间的相对差值增加。刘俊娥等［2］分析了坡度对片蚀黄土坡面片蚀量的影响，描述了坡度与黄土坡面片蚀量的关系，即片蚀量随着坡度的增加而呈指数关系增大。
坡度作为地形特征因素不仅决定了驱动径流和泥沙的能量，而且决定了水流和泥沙搬运的方向，故坡度的研究对于地形复杂区域的水土流失建模尤为重要［72］。部分学者对坡度与片蚀之间的关系进行了探讨，然而对于片蚀量与坡度之间的关系仍然存在分歧，不同学者的研究得出了不同片蚀量与坡度关系，但是否存在临界坡度这一问题尚无定论，得出的结论存在差异可能与不同研究的试验条件有关。
3.3 覆盖
植被覆盖可以提高土地覆盖的有效性，并减少对土壤侵蚀的敏感性［73］。Cerda［74］认为植被覆盖可能对地表水文特征起着影响作用，对侵蚀过程中的分离、搬运和沉积过程影响较大。张光辉［43］、杨春霞等［75］和朱慧鑫等［76］根据试验资料，分析植被覆盖尤其是草地覆盖影响的片蚀过程中的径流水动力特性。Ding等［77］根据试验数据资料，分析了不同草被覆盖率和不同草被分布模式下水动力参数变化特征，发现植被覆盖率的变化可显著影响水流流速、弗劳德数以及阻力系数，然而雷诺数与植被覆盖率无明显关系。Pan等［78］分析了草坡片蚀过程的试验数据，发现增加植物覆盖率可降低水流流速，且缓坡上植被覆盖对流速的影响大于陡坡上植被覆盖对流速的影响。同时他们发现侵蚀模数随着覆盖率的增加而降低，这一现象可归因于植被根系引起的土壤团聚体稳定性的增加，以及随着植被覆盖率的增加导致有效降雨动能和流速的降低，可见植被覆盖不仅影响着侵蚀水动力特性，对侵蚀特性亦存在影响。马春艳［79］通过野外人工放水冲刷试验，得出在不同坡度、不同径流量下草地坡面片蚀率均呈现先减小后趋于平稳的变化趋势，其变化关系也可分别用对数关系和幂函数关系进行描述。Oakes等［80］对不同规模的侵蚀地块进行片蚀机理和控制因素研究，发现在较高的植被覆盖率下，水分入渗更快，地表径流量的减少以及草被提供的物理屏障等因素致使片蚀率较低。
纵观国内外研究，学者们对于植被覆盖对坡面片蚀的影响作用做出了一些研究，包括水动力特性、侵蚀特性和片蚀率等方面，并且可以研究结论对于有效控制坡面水土流失提供科学依据，然而仍然缺乏对植被覆盖坡面片蚀过程的系统研究。
3.4 地表粗糙度与土壤特性
地表糙度是反映地表微地貌形态和物理性状的重要指标，通常情况下，地表糙度既增加了径流流动的阻力、减小径流的流速，又增加径流深度、增强径流冲刷力。在侵蚀过程中，二者的互相影响作用对侵蚀产沙量起到了一定的影响作用［81，82］。自20世纪50年代，外国学者Kuipers等［83］对于该问题提出了初步的设想。随后，国内外不同学者就地表粗糙度对于侵蚀的关系展开了相关研究，所得结论主要有2种观点：部分学者通过试验证实，地表粗糙度的增加可导致蓄水下渗能力增大，进而侵蚀产沙量与径流量减小［84~86］；其他学者则指出，与光滑地表相比，粗糙的地表在径流开始前并没有显示出高的入渗量，并且当径流边际受到影响时，其侵蚀产沙量反而愈大［87，88］。上述2种相悖的观点存在的可能原因为试验条件的不同以及忽略了坡度等因素。
具有不同特性的土壤其片蚀规律亦有不同［89］。国内部分学者分析了不同类型土壤的片蚀规律：管新建［90］通过对邙山黄土和粉煤灰进行降雨试验，分析比较了不同介质在不同降雨强度的响应，指出产沙量和含沙率在降雨过程中表现出相似的变化规律，但拐点出现的时间各不相同；耿晓东［91］研究发现红壤土、黄土和紫色土单位径流引起的坡面土壤侵蚀量有所不同。部分外国学者则从土壤的机械组成分析土壤的抗蚀性：Wischmeier等［92］发现耕地土壤侵蚀多发生在沙性或多粉粒的土壤上；Kirkb［93］研究表明，87.5%的侵蚀性土壤的黏粒含量为9%~35%，而75%侵蚀性土壤的黏粒含量为9%~30%；Bryan［94］提出土壤团聚度及团聚体的稳定性是决定和影响土壤可蚀性最重要的物理性质，团聚体稳定、结构性能较好的坡面土壤渗透性能好，水土流失较少。综上可见土壤特性对片蚀的影响作用较大，且不同类型不同机械组成的土壤其抗蚀性存在差异。
4 降雨物理特征参数
降雨作为影响坡面侵蚀的重要动力因素，涵盖降雨动能、降雨强度、降雨历时和雨型等因子，降雨物理特征参数对于片蚀具有重要的影响［95］。其中，降雨动能是衡量雨滴击溅作用的最好指标［96］，雨滴击溅导致颗粒破碎分解加剧了土壤侵蚀，这一问题引起了科学家的关注。Rienzi等［97］和Reza等［98］通过分析片蚀过程中降雨动能对于颗粒粒径分布的影响，发现在片蚀过程中土颗粒粒径分布是降雨冲击力作用的结果，降雨作用下大的颗粒体碎裂产生更细、更易搬运的微颗粒，降雨动能的增加致使细颗粒增加，从而引起粒径分布的变化。Wang等［99］的研究表明，就黄黏土而言降雨动能阈值为105 m2/h，超过此阈值时降雨动能对片蚀过程的影响可能会改变。Grismer［100］指出雨滴动能是土壤分离过程中的主要影响因素，降雨动能与降雨侵蚀力呈正比关系。
综上，学者关于降雨物理特征参数对片蚀影响的研究多是建立在人工模拟降雨试验上。然而有学者认为人工降雨与自然降雨仍存在明显的差异，在人工模拟降雨中根据雨滴大小来模拟自然降雨存在误差，不能较为准确地研究降雨特征参数对片蚀的影响作用，在模拟自然降雨状态时，通过调整降雨参数使得降雨动能相同可较方便地模拟［109］。
5 片蚀模型
在学者们对土壤侵蚀研究的过程中，对片蚀模型有了越来越深入的认识与发展。对于片蚀模型的研究，必将促使人们从作用机理的角度认识片蚀的本质原因，汇总的片蚀模型如表4［2，21，65，110~120］所列。Meyer［121］采用模拟降雨试验，分析片蚀率（Di）和降雨强度（I）的关系，指出片蚀率（Di）可由降雨强度（I）的指数方程进行描述。然后Nearing等［110］将其简化得到：
| 模型 | 试验条件 | 颗粒组成 | 参数值 | R2 | NSE | n | 参考文献 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| - | - | - | - | - | - | ［110］ | ||
| - | - | - | - | - | - | ［111］ | ||
试验用土：沙黄土d50=0.0039 mm 坡度：12.23%、17.63%、26.8%、36.4%、 40.4%、46.63% 降雨强度：40、60、90、120、138、150 mm/h | 70.09%砂粒 21.42%粉粒 8.49%黏粒 | - | 0.950 | 0.87 | 18 | ［21］ | ||
试验用土：Cecil沙壤土，Dyke黏土 坡度：8.7%、17.6%、26.8%、36.4% 降雨强度：42、62、78、90 mm/h | Cecil沙壤土： 69%砂粒 20%粉粒 11%黏粒 | Ki=0.40 | 0.969 | - | - | ［112］ | ||
Dyke黏土： 27%砂粒 33%粉粒 40%黏粒 | Ki=0.27 | 0.692 | ||||||
试验用土：黄土 坡度：1.4%、6.1% 降雨强度：30、66、102、138、162、174 mm/h | - | Ki：1 113.6~ 10 135.9 | - | - | - | ［113］ | ||
试验用土：黄绵土 坡度：17%、27%、36%、47%、58% 降雨强度：48、62.4、102、149、170 mm/h | 38.72%砂粒 45.59%粉粒 15.69%黏粒 0.53%有机质 | Ki：221~1 049 | - | - | - | ［114］ | ||
坡度：3.0%、6.0%、50.0% 降雨强度：63 mm/h | - | - | - | - | - | ［115］ | ||
试验用土：黄绵土 坡度：17.6%、26.8%、36.4%、46.6%、57.7% 降雨强度：48、62、102、149、170 mm/h | 39%沙粒 45%粉粒 16%黏粒 0.5%有机质 | Ki=132.9 m=0.242， n=-0.137 | - | - | - | ［116］ | ||
试验条件：淋溶黏壤土 坡度：8.7%、17.6% 降雨强度：30、60、90 mm/h | 沙粒：13.7% 粉粒：54.2% 黏粒：32.1% | Ki=2.59×10-2 | 0.920 | 0.92 | 219 | ［117］ | ||
试验用土：淋溶黏壤土 坡度：8.75% 降雨强度：30、60、90 mm/h | 13.7%砂粒 54.2%粉粒 32.1%黏粒 | Ki=0.03 （渗流状态） | 0.970（渗流状态） | - | 15（渗流状态） | ［118］ | ||
Ki=0.04 （饱和状态） | 0.810（饱和状态） | - | 30（渗流状态） | |||||
| Di=0.34AsI2（1.05-0.85exp-4sinθ） | 坡度：10%~20% 降雨强度：31.2±1.4、61.2±2.2 mm/h | - | - | 0.870 | - | - | ［119］ | |
| Di=0.34AsqI（1.05-0.85exp-4sinθ） | 0.890 | |||||||
试验用土：沙黄土d50=0.095 mm 坡度：15.8%、21.3%、26.8%、32.5%、38.4% 降雨强度：60、79.8、100.2、120、139.8 mm/h | 65.2%砂粒 28%粉粒 5.8%黏粒 | - | 0.854 | - | 25 | ［2］ | ||
试验用土：黄土母质性黄绵土 坡度：17.6%、26.8%、36.3%、 46.6%、57.7%、70.0% | - | 松动表土： αk=10.1432 m=0，n=1.290 | 松动表土： R=0.866 | - | - | ［65］ | ||
不松动表土： αk=1.0931 m=0.39，n=0.812 | 不松动表土：R=0.792 | - | - | |||||
松动表土： K1=-12.26 K2=762.43 K3=-3 991.90 | 松动表土： R=0.982 | - | - | |||||
不松动表土： K1=-2.03 K2=154.07 K3=214.67 | 不松动表土：R=0.968 | - | - | |||||
试验用土：黄绵土、黑土、红壤 坡度：17.6% 降雨强度：50、100 mm/h | 黄土： 28.3%砂粒，58.1%粉粒，13.6%黏粒 | - | 0.860 | - | 80 | ［120］ | ||
| 黑土： 3.3%砂粒，76.4%粉粒，20.3%黏粒 | ||||||||
| 红壤： 6.4%砂粒，76.6%粉粒，17.0%黏粒 | ||||||||
一些学者着眼于其他因素对于片蚀的影响，将片蚀模型不断完善。Wang等［117］将近地表水力梯度融入片蚀经验模型之中，得出：
纵观国内外片蚀模型研究进展，学者们研究了降雨、径流、坡长与坡度对于片蚀的影响作用，建立了基于各个因素的片蚀模型，分析了各片蚀模型的适用性。然而，已有研究内容较少涉及到涵盖土体本身性质因素以及不同覆盖条件因素的片蚀模型，当前的片蚀模型研究仍需进一步深入。
6 片蚀过程
片蚀过程是坡面径流侵蚀过程的第一阶段，研究片蚀过程可为阐明片蚀机理提供重要的科学依据，国内外学者根据理论分析和试验研究对片蚀过程进行研究，得出各自观点。郑粉莉［122］通过分析人工降雨试验数据，阐明片蚀形成机理：降雨雨滴对于土壤表面产生冲击力，土壤表面形成薄层致密结皮，同时由于土壤孔隙封闭导致入渗能力降低，从而在土壤表面形成薄层水流，该过程即为片蚀过程。Kinnell［123］深入研究了片蚀过程，认为片蚀过程可包含4个分离输沙系统过程，分别为雨滴分离—雨滴搬运过程、雨滴分离—雨滴驱动的径流搬运过程、雨滴分离—径流搬运过程和径流分离—径流搬运过程。刘俊娥［2］在前人的研究基础上，采用模拟降雨的方法进行了黄土坡面片蚀过程的研究，分析了黄土坡面片蚀过程的变化，阐明了黄土坡面片蚀过程机理。
片蚀过程中的分离、搬运及其限制过程是片蚀研究的重要组成部分。Gilley等［124］开发出一种片蚀模型，该模型可模拟受分离限制的片蚀过程和受搬运限制的片蚀过程。后续学者基于已有的研究基础，对于片蚀过程中的分离、搬运及其限制过程进行了更深入的探讨。Assouline等［125］通过研究结皮状态下土壤片蚀的动态变化，发现可通过片流搬运能力和雨滴分离能力判断片蚀的限制过程。同时，他们指出：在较陡的坡面上，侵蚀早期阶段主要是受片流搬运限制的过程；随着降雨的继续，受片流搬运限制的过程转变为受分离限制的过程。Ran等［101］在研究中采用径流量峰值图对受搬运限制的过程和受分离限制的过程进行划分：当地表径流量较小时，侵蚀过程为受搬运限制的过程；当地表径流量较大时，该阶段侵蚀过程为受分离限制的过程。Wu等［126］基于雨滴分离能力和片蚀率的概念，对片蚀分离、搬运及其限制性过程进行定义：当雨滴分离能力大于片蚀率时，是受片流搬运限制的过程；当雨滴分离能力小于片蚀率时，是受雨滴分离、片流分离限制的过程；当雨滴分离能力和片蚀率相等时，是雨滴分离与片流搬运动态平衡过程。
7 结论与展望
纵观国内外学者对片蚀进行的上述研究，揭示了水动力学以及水力学参数、外部影响因素和降雨特征参数对于片蚀的影响，分析了基于各影响因素建立的片蚀模型，给出了片蚀分离、搬运和沉积过程的相关分析结果，从定性和定量角度为片蚀研究奠定了基础。
综上所述，现有的片蚀研究取得了一定的研究成果，加深了人们对片蚀发生发展过程和作用机理的认识，也为片蚀危害性评价提供了一定的依据。但片蚀研究仍很薄弱，一些关键问题尚未有确切定论，作者认为今后可在以下几个方面重点研究：
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